Câmeras de TV TV Digital Guido Stolfi Mackenzie 2008 Guido Stolfi 1/58 Sistema Óptico de uma Câmera de TV Sensor Varredura Sinal de Vídeo Lente Amplificador E BT 4F 2 E = Iluminamento no anteparo (nits ou candelas/m2) B = Luminância do objeto (lux ou lumens/m2) T = Transmitância da lente F = Abertura da lente (f / d) Guido Stolfi 2/58 Características de Sensibilidade • Eficiência Quântica: Porcentagem de fótons incidentes que provocam sinal elétrico no sensor • Índice de Exposição (Fotografia): F2 E I 280 B TX B = Luminância para produzir nível branco Tx = Tempo de Exposição (normalmente 1/30") F = Abertura da Lente Guido Stolfi 3/58 Características Qualitativas de uma Câmera • Definição: relacionada com a resolução espacial (MTF) • Reprodução de Tons: fidelidade na reprodução de escalas de intensidade (Linearidade, fator Gama) • Reprodução Cromática: limites e precisão das regiões de cromaticidade (luminância, tonalidade, saturação) • Latitude de Exposição: faixa dinâmica (linearidade em regiões de luz alta e baixa) Guido Stolfi 4/58 Resposta Espacial e Resolução Sensor Varredura Sinal de Vídeo Lente Amplificador MTF total = MTF(sistema óptico) MTF(sensor) MTF(varredura) Resposta do Amplificador / digitalizador Guido Stolfi 5/58 Lente “Zoom” Guido Stolfi 6/58 Evolução dos Sensores Guido Stolfi 7/58 Varredura de Imagens por Disco Rotativo (Paul Nipkov -1884) Guido Stolfi 8/58 Varredura de uma Imagem por Disco de Nipkov Guido Stolfi 9/58 John Logie Baird com protótipo de Televisão (~1925) Guido Stolfi 10/58 Câmera de Varredura Instantânea • Image Dissector (Farnsworth, 1929) Guido Stolfi 11/58 Philo T. Farnsworth e o seu “Image Dissector” (1929) Guido Stolfi 12/58 Transmissão: “Gato Félix” (1930) Guido Stolfi 13/58 Câmera de Varredura Cumulativa • Iconoscópio (Zworykin, 1939) Guido Stolfi 14/58 Sensor Fotoemissivo Luz Incidente Isolante Feixe de Elétrons Glóbulos de Material Fotoemissivo Eletrodo Fotoemissor Ce Eletrodo Coletor Carga Feixe de Elétrons Corrente Fotoemissiva Eo Guido Stolfi 15/58 Iconoscópio Guido Stolfi 16/58 Iconocópios Vladimir Kosma Zworykin e seus Iconoscópios Guido Stolfi 17/58 Transmissão das Olimpíadas de Berlim (1936) Guido Stolfi 18/58 Sensor Fotocondutivo Feixe de Elétrons Luz Incidente Material Fotocondutivo Vidro Eletrodo Transparente Ce Eletrodo Fotoemissor Elemento Fotocondutor Feixe de Elétrons Eo Carga Guido Stolfi 19/58 Câmera com Sensor Fotocondutivo Varredura Feixe de Elétrons Carga Amplificador Guido Stolfi 20/58 Câmera com Sensor Fotocondutivo Iluminamento do Fotocondutor Ve 1 Quadro IL Tempo Corrente na Carga Devida a um Elemento de Imagem Guido Stolfi 21/58 Iconoscópio, Orthicon e Vidicon Guido Stolfi 22/58 Profundidade de Foco Guido Stolfi 23/58 Profundidade de Foco Guido Stolfi 24/58 Sensibilidades Espectrais p/ Fotocondutores Guido Stolfi 25/58 Câmeras Fotocondutoras Tipo Fotocondutor Aplicações Desvantagens Vidicon Trissulfeto de Antimônio Telecinagem; Baixo Custo "Lag" (Retardo) Newvicon Selenieto de Zinco Alta Resolução; Intrum. Médica alta corrente no escuro Chalnicon Selenieto de Cádmio Sensivel; Vigilância "Lag"; alta corrente no escuro Saticon Liga de Selênio/Arsênic o/Telúrio Mais sensível ao azul; Câmeras RGB de Estúdio Ultricon Matriz de Fotodiodos de Silício Resistência a luz forte; Circuito Fechado P/B "Blooming" Plumbicon Óxido de Chumbo Tomadas ao Vivo "Lag", pouca resposta no Vermelho Guido Stolfi 26/58 Câmera a Cores com 3 Sensores Filtros Corretivos Sensor Azul Filtros Dicróicos Sensor Verde Filtros Corretivos Prismas Sensor Vermelho Guido Stolfi 27/58 Processamento de Sinal na Câmera de 3 Tubos Sensores Correção de Cor Correção Gama Codificador Vídeo Composto PréAmplificadores Correção de MTF Apagamento e Limitação Guido Stolfi 28/58 Câmera a Cores com 1 Tubo Filtro Cia no Filtro Ama relo Sa ída com luz a z ul Sa ída com luz vermelha Sa ída com luz verde Guido Stolfi 29/58 Processamento de Sinal p/ Câmera de 1 Tubo Espectro do Sinal da Câmera Luminância YL Portadora vermelho Portadora azul freq. Y 2.5 MHz YL Matriz G 0.5 MHz R 3.5 MHz Detetores 0.5 MHz B 5.0 MHz 0.5 MHz Guido Stolfi 30/58 Câmera a Cores de 1 Tubo (Alternativa) Linha 1 Linha 3 Filtro Cia no Filtro Amarelo Linha 1 Sa ída Vermelho 90 o Linha 3 Linha 1 Sa ída Az ul Linha 3 90 o Guido Stolfi 31/58 Processamento de Sinal Espectro do Sinal da Câmera Luminância Y H YL freq. Portadora Cor YH G t 3.6 MHz YL Matriz 0.5 MHz t 1H 4.2 MHz t 90 o R + Detetores 0.6 MHz - Matriz B 0.6 MHz Guido Stolfi 32/58 Sensores CCD Guido Stolfi 33/58 Dispositivo de Transferência de Carga 1 - 2 3 + + 4 - 1 - 2 + • CCD: Charge Coupled Device Guido Stolfi 34/58 CCD (Charge Coupled Device) Bell Laboratories, 1970 Guido Stolfi 35/58 Deslocamento das Cargas no CCD - 1 + 2 3 + - 4 - 1 2 + T0 T1 T2 T3 T4 Guido Stolfi 36/58 Estrutura de um Sensor CCD Registrador vertical porta de overflow 1 Sensor 2 Linha Campo Par 3 Sensor 4 Linha Campo Ímpar 1 Sensor 2 3 portas de transferência dreno de overflow Linha Campo Par Registrador Horizontal A B C D Guido Stolfi 37/58 Operação do Sensor CCD Porta de Transferência Porta de Overflow Dreno Registrador Vertical Integração de Carga Por Fotocondução (Período Ativo) Sensor Transferência (Retraço Vertical) Porta de Overflow "Overflow" por excesso de luz (Período Ativo) Dreno Guido Stolfi 38/58 Sensibilidade Espectral de Sensores CCD A Iluminação Frontal c/ portas de Poli-Silício B Iluminação Posterior C Iluminação Frontal "fase virtual" D Iluminação Frontal c/ portas transparentes Guido Stolfi 39/58 Comparações CCD x Tubo CCD Tubo Sensibilidade f/8 @ 2000 lux f/4 @ 2000 lux Iluminamento Mínimo 7.5 lux 10 lux Índice de Exposição ~540 ~150 Resolução Horzontal 700 linhas 700 linhas Relação S/R sem ponderação 60 dB 56 dB S/R ponderada 68 dB 64 dB Artifícios de Imagem "Aliasing", defeitos lineares Granulação Colorimetria Melhor resposta no Vermelho - Indefinida ~10.000h Vida Útil Guido Stolfi 40/58 Sensor CCD Tricromático (RGB) B G R 1 pixel R G B Guido Stolfi 41/58 Sensor CCD Tricromático (YL - G - CY) G CY 1 pixel YL YL G CY Guido Stolfi 42/58 Resolução (MTF) do Sensor CCD W sen h f h Fh MTF ( f h ) Wh fh Fh •Wh = Largura do elemento sensor •Fh = Frequencia de Amostragem no sentido horizontal (Sensores/largura da imagem) •fh = Frequencia espacial (linhas de resolução) na horizontal W sen v f v Fv MTF ( f v ) W v fv Fv •Wv = Altura do elemento sensor •Fv = Frequencia de Amostragem no sentido vertical (Sensores/altura da imagem) •fv = Frequencia espacial (linhas de resolução) na vertical Guido Stolfi 43/58 Resolução (MTF) do Sensor CCD CCD Tubo 480 linhas Fv Guido Stolfi 44/58 Resolução (MTF) do Sensor CCD Guido Stolfi 45/58 Sensor CCD com Micro-Lentes Guido Stolfi 46/58 Processamento de Sinal Guido Stolfi 47/58 Filtros de Separação de Cor Guido Stolfi 48/58 Características Ideais dos Filtros Guido Stolfi 49/58 Deslocamento Espacial G / RB Guido Stolfi 50/58 Deslocamento Espacial G / RB Guido Stolfi 51/58 Processamento Analógico Guido Stolfi 52/58 Uniformidade de Campo (“Shading”) Guido Stolfi 53/58 Controle Dinâmico de Contraste Guido Stolfi 54/58 Faixa Dinâmica com Controle de Saturação Guido Stolfi 55/58 Controle de Nitidez (H/V Enhancement) Guido Stolfi 56/58 Características Aproximadas por Matrixagem R G B Resposta Ideal Resposta dos Filtros ópticos Resposta após Matriz RGB Guido Stolfi 57/58 Desafios • Compatibilizar a resposta da câmera de TV com o processo de filmagem em película, para permitir a combinação simultânea de material produzido nesses meios. • Maximizar a relação Sinal / Ruído apesar da redução das dimensões do elemento sensor • Manter reprodução de tons mesmo com processamento digital Guido Stolfi 58/58